Этапы реализации генетической информации

I. Транскрипция - синтез всœех видов РНК на матрице ДНК. Транскрипция, или переписывание, происходит не на всœей молекуле ДНК, а на участке, отвечающем за определœенный белок (ген). Условия, необходимые для транскрипции:

а) разкручивание участка ДНК с помощью расплетающих белков- ферментов

б) наличие строительного материала в виде АТФ. ГТФ. УТФ. 1ДТФ

в) ферменты трансктипции - РНК-полимеразы I, II, III

г) енергия в виде АТФ.

Транскрипция происходит по принципу комплементарности. При этом с помощью специальных белков-ферментов участок двойной спирали ДНК раскручивается, является матрицей для синтеза иРНК. Далее вдоль цепи ДНК

движется фермент РНК-полимераза, соединяя между собой нуклеотиды по принципу комплементарности в растущую цепь РНК. Далее одноцепочечная РНК отделяется от ДНК и через поры в мембране ядра покидает клеточное ядро (рис. 5)

Рис. 5 Схематическое изображение транскрипции.

Различия в транскрипции про- и эукариот.

По химической организации наследственного материала эукариоты и прокариоты принципиально не отличаются. Известно, генетический материал представлен ДНК.

Наследственный материал прокариот содержится в кольцевой ДНК, которая располагается в цитоплазме клетки. Гены прокариот состоят целиком из кодирующих нуклеотидных последовательностей.

Гены эукариот содержат информативные участки -экзоны, которые несут информацию об аминокислотной последовательности белков, и неинформативные участки - интроны, не несущие информации.

Соответственно, транскрипция информационной РНК у эукариот проходит в 2 этапа:

S) переписываются (транскрибируются) всœе участки (интроны и экзоны) -такая иРНК принято называть незрелой или про-иР НК.

2). процес синг - созревание матричной РНК. С помощью специальных ферментов вырезаются интронные участки, затем сшиваются экзоны. Явление сшивания екзонов принято называть сплайсингом. Посттранскрипционное дозревание молекулы РНК происходит в ядре.

II. Трансляция (translation), или биосинтез белка. Суть трансляции -перевод четырехбуквенного шифра азотистых оснований на 20-буквенный ʼʼсловарьʼʼ аминокислот.

Процесс трансляции состоит в переносœе закодированной в иРНК генетический информации в аминокислотную последовательность белка. Осуществляется биосинтез белка в цитоплазме на рибосомах и состоит из нескольких этапов:

1. Подготовительный этап (активация аминокислот), состоит в ферментативном связывании каждой аминокислоты с своей тРНК и образовании комплекса аминокислота - тРНК.

2. Собственно синтез белка, который включает три стадии:

а) инициация - иРНК связывается с малой субъединицей рибосомы, первыми кодонами, инициирующими, являются АУТ или ГУГ. Этим кодонам соответствует комплекс метионил -тРНК. Вместе с тем, в инициации участвует три белковых: фактора, облегчающие связывание мРНК с большой субчастицей рибосомы, образуется инициаторный комплекс

б) элонгация - удлинœение полипептидной цепочки. Процесс осуществляется в 3 шага и состоит в связывании кодона мРНК с антикодоном тРНК по принципу комплементарности в активном центре рибосомы, затем в образовании пептидной связи между двумя остатками аминокислот и перемещении дипептида на шаг вперёд и, соответственно, передвижения рибосомы вдоль иРНК на один ко дон вперед

в) терминация - окончание трансляции, зависит от присутствия в иРНК терминирующих кодонов или "стоп-сигналов" (УАА,УГА,УАГ) и белковых ферментов - факторов терминации (рис. 6).

Рис. 6. Схема трансляции

а) стадия элонгации;

б) поступления синтезированного белка в эндоплазматическую сеть

В клетке для синтеза белка используется не одна, а несколько рибосом. Такой работающий комплекс иРНК с несколькими рибосомами принято называть полирибосомой . В таком случае синтез белка происходит быстрее, чем при использовании только одной рибосомы.

Уже в ходе трансляции белок начинает укладываться в трёхмерную структуру, а при крайне важно сти в цитоплазме принимает четвертичную организацию.

Рис 7 Роль нуклеиновых кислот в передаче генетической информации

Лексико-грамматические задания:

являться

определяться

кодироваться чем

характеризоваться

называться

Задание №1. Слова и словосочетания, данные в скобках, напишите в правильной форме.

1. Все морфологические, анатомические и функциональные особенности любой клетки и организма в целом определяются (структура специфических белков).

2. Последовательность расположения аминокислот в полипептидной цепочке определяется (последовательность) нуклеотидов в участке ДНК, котрый принято называть (ген), а последовательность нуклеотидов в ДНК принято называть (генетический код).

3. Каждая аминокислота кодируется (группа из трёх нуклеотидов), которая принято называть (триплет).

4. Генетический код характеризуется (следующие признаки: триплетность, вырожденность, непрекрываемость, линœейность и отсутствие запятых, универсальность).

5. 20 аминокислот кодируются (одни и те же триплеты).

Задание №2. Вместо точек используйте краткие и полные формы причастия, образованные от глаголов кодироваться - закодироваться.

1. Последовательность нуклеотидов в ДНК, ... определённые аминокислоты в молекуле белка, принято называть генетическим кодом.

2. Одна и та же кислота должна быть... несколькими триплетами.

3. 20 аминокислот... одними и теми же триплетами.

4. Различают структурные гены, ... структурные и ферментные белки, а так же гены с информацией для синтеза тРНК и рРНК и др.

5. Следующим этапом реализации генетической информации, ... в гене, является транскрипция.

принципиально (не) отличаются существенно по какому признаку

значительно

По химической организации материала наследственности эукариоты и прокариоты принципиально не отличаются. Генетический материал у них представлен ДНК.

Задание№3. Прочитайте часть текста ʼʼРазличие транскрипции у про- и эукариотʼʼ. Расскажите о этапах реализации наследственной информации.

Задание №4. Закончите предложения, опираясь на информацию текста.

1. Наследственный материал прокариот содержится в....

2. Гены прокариот состоят целиком из....

3. Гены эукариот содержат....

4. Транскрипция у эукариот происходит в....

5. Трансляция состоит в переносœе закодированной в иРНК генетической информации в....

6. Трансляция осуществляется в цитоплазме на....

Задание №5. Составьте схему этапов трансляции и расскажите по схеме о поэтапном осуществлении трансляции.

Решение типовых задач

Участки структурных генов у про- и эукариот имеют сходные последовательности нуклеотидов:

ЦАТ-ГТЦ-АЦА-"ПТД-ТГА-ААА-ЦАА-ЦЦГ-АТА-ЦЦЦ-ЦТГ-ЦГГ-ЦТТ-ГГА-АЦА-АТА. Причем, у эукариот последовательность нуклеотидов АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА и ГГА-АЦА-АТА кодируют интронные участки про и-РНК. Используя словарь генетического кода, определите:

а) какую последовательность нуклеотидов будет иметь иРНК, транскрибируемая с этого участка ДНК у прокариот;

б) какую последовательность нуклеотидов будет иметь иРНК, транскрибируемая с этого участка ДНК у еукариот;

в) какую последовательность аминокислот будет иметь белок, кодируемый данным участком гена у про- и эукариот.

Тема 9. Ген, его строение и функции.

Известно, что материальными носителями генетической информации являются гены. Ген - элементарная единица наследственности, определяющая развитие какого-либо признака организма. Гены находятся в хромосомах и

занимают определœенное место - локус. С точки зрения молекулярной биологии ген - это участок молекулы ДНК, в котором закодирована информация о синтезе определённого белка. Этапы реализации генетической информации, закодированной в гене, можно представить в виде схемы:

Молекулярные механизмы реализации генетич неской инф ормации

Основные положения теории гена:

1. Ген занимает определённое место (локус) в хромосоме.

2. Ген (цистрон) - часть молекулы ДНК, которая отличается определённой последовательностью нуклеотидов и представляет собой функциональную единицу наследственной информации. Количество нуклеотидов, входящих в состав различных генов, разное.

3. В пределах одного гена могут наблюдаться рекомбинации (обмен участками. Такие участки цистрона называются реконами.

4. Участки, в которых может изменяться последовательность нуклеотидов, называются мутонами.

5. Существуют функциональные и структурные гены. Структурные гены кодируют синтез белковой молекулы. Различают структурные гены, кодирующие как структурные белки, так и ферментные белки, а также гены с информацией о синтезе тРНК, рРНК и др.

6. Функциональные гены не кодируют белок, а контролируют и направляют деятельность структурных генов.

7. Расположение триплетов нуклеотидов в структурных генах коллинœеарно соответствует расположению аминокислот в молекуле белка.

8. Участки молекулы ДНК, входящие в состав гена, способны к восстановлению, ᴛ.ᴇ. к репарации, в связи с этим, не всœе изменения последовательности нуклеотидов в участке ДНК ведут к мутациям.

9. Генотип состоит из отдельных генов (дискретен), но функционирует как единое целое, т.к. гены способны взаимодействовать, влиять друг на друга. На функцию генов влияют факторы как внутренней, так и внешней среды.

Ген имеет ряд свойств:

Дискретность действия;

Стабильность (постоянство);

Передача наследственной информации в неизменяющемся виде, при отсутствии мутации;

Лабильность (изменение) генов, связана с их способностью к мутациям;

Специфичность - каждый ген обуславливает развитие определённого признака;

Плейотропия - один ген может отвечать за несколько признаков;

Экспрессивность - степень выраженности признака;

Пенентратность - частота проявления гена среди его носителœей.

Геном человека содержит около 30 тысяч различных генов. Одни из них активны, другие - заблокированы. Весь объём генетической информации находится под строгим контролем регуляторных механизмов. Все гены взаимосвязаны между собой, образуя единую систему. Регуляция их активности осуществляется по сложным механизмам.

Сюда включаются процессы регуляции активности генов на этапах транскрипции (до, во время, после неё), трансляции (до, во время, после неё), а также согласованной каскадной групповой регуляции работы генов (их экспрессии), участии в данном процессе гормонов (сигнальных веществ), химической модификации ДНК (рис.8).

Рис. 8. Схема регуляции транскрипции структурных генов у прокариотической клетки по типу индукции.

Экспрессия (проявление активности гена) отдельного гена зависит от того, в каком состоянии данный ген находится. По этой причине существует различная пене нтрантности (процентное количественное фенотипическое проявление

гена) и экспрессивности (степень выраженности гена). Эти понятия были впервые введены в генетику М.В.Тимофеевым-Рессовским. Конкретный генотип человека определяется фенотипической степенью выраженности патологического признака, детерминированным определœенным геном (экспрессивностью), даже вплоть до отсутствия клинической картины патологии при наличии в генотипе мутантных аллелœей.

Лексико-грамматические задания:

Задание №1. Замените придаточные определительные причастным оборотом.

1. Ген - единица наследственности, которая определяет развитие какого-либо одного признака.

2. Гены, которые находятся в хромосомах, занимают определённое место - локус.

3. Реализацию информации, которая закодирована в гене, представляют в виде схемы.

4. Ген - часть молекулы ДНК, которая отличается определённой последовательностью нуклеотидов.

5. Количество нуклеотидов, которые входят в состав различных генов, разное.

Задание №2. Замените пассивные конструкции активными.

1. Синтез белковой молекулы кодируется структурными генами.

2. Деятельность структурных генов контролируется и направляется функциональными генами.

что влияет на что Гены способны влиять друг на друга. на функцию чего влияют факторы внутренней и внешней среды

Задание №3. Напишите предложения, раскрывая скобки.

1. Экзонные участки генов кодируют (первичная структура белка).

2. Интронные участки гена играют (структурная, вспомогательная роль).

3. Ген - часть молекулы ДНК, которая представляет собой (функциональная единица наследственной информации).

Задание №4. прочитайте часть текста об базовых положениях теории генов и напишите определœения: а) локуса, б) реконов, в) мутонов.

Задание №5. Используя данную информацию, закончите фразы.

1. Стабильностью принято называть 1.... передавать наследственную свойство генов... информацию в неизменяющемся

2. Лабильность генов - это... 2.... степень выраженности

признака.

3. Пенентральность генов - это 3.... частота проявления гена

среди его носителœей.

4. Экспрессивность генов - ... 4.... связана с их способностями к

мутациям

Решение типовых задач

1. Участок структурного гена имеет следующую последовательность нуклеотидов:

АТА-ЦИА-А1^-ЦТА-ГГА-ЦГА-ГТА-ЦАА

АГА-ТЦА-ЦГА-ААА-АТГ. Используя словарь генетического кода, определите:

а) какую последовательность нуклеотидов будет иметь про-иРНК, транскрибируемая с этого участка;

б) известно, что кодоны 3,4,5,9,10,11,12 у про-иРНК входит в состав интронов. Какую последовательность будет иметь иРНК;

в) какую последовательность аминокислот будет иметь фрагмент белка, кодируемый указанным участком гена;

г) напишите, какие антикодоны должны быть у тРНК, обеспечивающих синтез данного фрагмента белка.

2. Участки структурных генов у про- и эукариот имеют сходные последовательности нуклеотидов:

ЦАТ-ГТЦ-А1ТА-ТТЦ-ТГА-ААА-ЦАА-Ц1^^ АЦА-АТА. Следует отметить, что последовательности нуклеотидов АЦА-ТТЦ-ТГА-ААА и ГГА-АЦА-АТА кодируют интронные участки у эукариот. Определите:

а) последовательность нуклеотидов в первичном транскрипте у еукариот;

б) как принято называть созревание иРНК? Определите нуклеотидную последовательность в иРНК.

в) какое различие в последовательности аминокислот в белках у прокариот и еукариот. Объясните причину этого различия.

Этапы реализации генетической информации - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Этапы реализации генетической информации" 2017, 2018.

Принципиально важным свойством генетической информации является ее способность к переносу (передаче) как в пределах одной клетки, так и от родительской клетки к дочерним либо между клетками разных индивидуумов в процессах клеточного деления и размножения организмов. Что касается направлений внутриклеточного переноса генетической информации, то в случае ДНК-содержащих организмов они связаны с процессами репликации молекул ДНК, т.е. с копированием информации (см. подразд. 1.2), либо с синтезом молекул РНК (транскрипцией) и образованием полипептидов (трансляцией) (рис. 1.14). Как известно, каждый из указанных процессов осуществляется на основе принципов матричности и комплементарности.

Сложившиеся представления о переносе генетической информации по схеме ДНК → РНК → белок принято называть «центральной догмой» молекулярной биологии. Наряду с этим (наиболее распространенным) направлением переноса, который иногда обозначают как «общий перенос», известна и другая форма реализации генетической информации («специализированный перенос»), обнаруженная у РНК-содержащих вирусов. В этом случае наблюдается процесс, получивший название обратной транскрипции, при котором первичный генетический материал (вирусная РНК), проникший в клетку-хозяина, служит матрицей для синтеза комплементарной ДНК с помощью фермента обратной транскриптазы (ревертазы), кодируемой вирусным геномом. В дальнейшем возможна реализация информации синтезированной вирусной ДНК в обычном направлении. Следовательно,

Рис. 1.14. Основные направления внутриклеточного переноса генетической информации

специализированный перенос генетической информации осуществляется по схеме РНК → ДНК → РНК → белок.

Транскрипция является первым этапом общего переноса генетической информации и представляет собой процесс биосинтеза молекул РНК по программе ДНК. Принципиальный смысл этого процесса состоит в том, что информация структурного гена (либо нескольких расположенных рядом генов), записанная в форме нуклеотидной последовательности кодирующей нити ДНК в ориентации 3"→ 5", переписывается (транскрибируется) в нуклеотидную последовательность молекулы РНК, синтезируемой в направлении 5" → 3" на основе комплементарного соответствия дезоксирибонуклеотидов матричной нити ДНК рибонуклеотидам РНК (А-У, Г-Ц, Т-А, Ц-Г) (рис. 1.15). В качестве продуктов транскрипции (транскриптов) можно рассматривать все типы молекул РНК, участвующих в биосинтезе белков в клетке, - матричные (информационные) РНК (мРНК, или иРНК), рибосомные РНК (рРНК), транспортные РНК (тРНК), малые ядерные РНК (мяРНК).

Процесс транскрипции обеспечивается комплексным действием ряда ферментов, к числу которых относится РНК-полимераза, представляющая собой сложный белок, состоящий из нескольких субъединиц и способный выполнять несколько функций. В отличие от прокариот (бактерий), в клетках которых имеется РНК-полимераза лишь одного типа, обеспечивающая синтез разных молекул РНК, у эукариот установлено наличие ядерных РНК-полимераз трех типов (I, II, III), а также РНК-полимераз клеточных органелл, содержащих ДНК (митохондрий, пластид). РНК-полимераза I находится в ядрышке и участвует в синтезе большинства молекул рРНК, РНК-полимераза II обеспечивает синтез мРНК и мяРНК, а РНК-полимераза III осуществляет синтез тРНК и одного варианта молекул рРНК.

Транскрипция подразделяется на три основные стадии - инициацию (начало синтеза РНК), элонгацию (удлинение полинуклеотидной цепочки) и терминацию (окончание процесса).

Рис. 1.15. Синтез молекулы РНК на матричной нити ДНК. Стрелкой показано направление, в котором идет рост цепи РНК

Инициация транскрипции зависит от предварительного специфического связывания РНК-полимеразы с узнаваемой ею короткой нуклеотидной последовательностью в участке молекулы ДНК (промоторе), расположенном перед стартовой точкой структурного гена, с которой начинается синтез РНК. Промоторы разных структурных генов могут быть идентичными либо содержат отличающиеся друг от друга последовательности нуклеотидов, что, вероятно, определяет эффективность транскрибирования отдельных генов и возможности регуляции самого процесса транскрипции (см. также подразд. 1.6). Промоторы многих генов прокариот имеют в своем составе универсальную последовательность 5"-ТАТААТ-3" (блок Прибнова), которая располагается перед стартовой точкой на расстоянии порядка 10 нуклеотидов и распознается РНК-полимеразой. Другая относительно часто встречающаяся узнаваемая последовательность этих организмов (5"-ТТГАЦА-3") обычно обнаруживается на расстоянии примерно 35 нуклеотидов от стартовой точки. В геномах эукариот функцию узнавания для РНК-полимеразы II могут выполнять универсальные последовательности ТАТА (блок Хогнесса), ЦААТ и состоящие из повторяющихся нуклеотидов Г и Ц (ГЦ-мотивы). При этом та или иная промоторная область может содержать либо одну из указанных последовательностей либо комбинацию двух или трех таких последовательностей.

Специфическое прочное связывание РНК-полимеразы с тем или иным узнаваемым ею участком промоторной области позволяет ей начать процесс расплетания молекулы ДНК вплоть до стартовой точки, с которой она начинает осуществлять полимеризацию рибонуклеотидов с использованием в качестве матрицы однонитевого 3"-5"-фрагмента ДНК.

Дальнейшее расплетание ДНК структурного гена сопровождается удлинением синтезируемого полирибонуклеотида (элонгацией нити РНК), продолжающимся вплоть до достижения РНК-полимеразой области терминатора. Последний представляет собой нуклеотидную последовательность ДНК, которая узнается РНК-полимеразой при участии других белковых факторов терминации, что приводит к окончанию синтеза транскрипта и его отсоединению от матрицы. В большинстве случаев терминатор находится в конце структурного гена, обеспечивая синтез одной моногенной молекулы мРНК. При этом у прокариот возможен синтез полигенной молекулы мРНК, кодирующей синтез двух и большего числа полипептидных цепочек. Происходит непрерывное транскрибирование нескольких расположенных рядом друг с другом структурных генов, имеющих один общий терминатор. Полигенная мРНК может содержать в своем составе нетранслируемые межгенные области (спейсеры), разделяющие кодирующие участки для отдельных полипептидов, что, вероятно, обеспечивает последующее разделение и самих синтезируемых полипептидов.

Поскольку структурные гены эукариот имеют прерывистое (мозаичное) строение, то их транскрипция имеет специфические особенности, отличающие ее от транскрипции у прокариот. В случае эукариотического гена, кодирующего синтез полипептида, этот процесс начинается с транскрибирования всей нуклеотидной последовательности, содержащей как экзонные, так и интронные участки ДНК. Образовавшаяся при этом молекула мРНК, отражающая структуру всего мозаичного гена, которую называют гетерогенной ядерной РНК (гяРНК) либо проматричной РНК (про-мРНК), претерпевает затем процесс созревания (процессинг мРНК).

Процессинг состоит в ферментативном разрезании первичного транскрипта (гяРНК) с последующим удалением его интронных участков и воссоединением (сплайсингом) экзонных участков, формирующих непрерывную кодирующую последовательность зрелой мРНК, которая в дальнейшем участвует в трансляции генетической информации. В качестве примера можно рассмотреть схему процессинга мРНК, синтезируемой при транскрипции гена β-глобиновой цепочки (рис. 1.16), структура которого обсуждалась ранее (см. рис. 1.13).

В процессинге принимают участие и короткие молекулы мяРНК, состоящие примерно из 100 нуклеотидов, которые представляют собой последовательности, являющиеся комплементарными последовательностям на концах интронных участков гяРНК. Спаривание комплементарных нуклеотидов мяРНК и гяРНК способствует сворачиванию в петлю интронных участков и сближению соответствующих экзонных участков гяРНК, что, в свою очередь, делает их доступными разрезающему действию ферментов (нуклеаз). Следовательно, молекулы мяРНК обеспечивают правильность вырезания интронов из гяРНК.

Во время процессинга происходит также модификация 5"-и 3"-концов формирующейся зрелой молекулы мРНК. Принципиальный смысл этого процесса можно рассмотреть на схемах

Рис. 1.16. Процессинг мРНК -глобинового гена человека

процессинга гена β-глобина человека (см. рис. 1.16) и полной нуклеотидной последовательности зрелой мРНК, образующейся в результате этого процесса. Как видно из рис. 1.17, на 5"-конце последовательности имеется короткий нетранслируемый (лидирующий) участок, состоящий из 17 триплетов, которые маркированы цифрами со знаком «минус». Этот участок кодируется транскрибируемой (но нетранслируемой) областью первого экзона β-гена (заштрихована на рис. 1.16). Модификация этого участка состоит в образовании 5"-концевого кэпа (от англ, cap - колпачок, шапочка), представляющего собой остаток 7-метилгуанозина, присоединенный к соседнему нуклеотиду необычным способом (с помощью три-фосфатной связи). Предполагается, что основная функция кэпа связана с узнаванием специфической последовательности молекулы рРНК, входящей в состав рибосомы, что обеспечивает точное прикрепление всего лидирующего участка молекулы мРНК к определенному участку этой рибосомы и инициацию процесса трансляции. Возможно также, что кэп предохраняет зрелую мРНК от преждевременного ферментативного разрушения во время ее транспортировки из ядра в цитоплазму клетки.

Модификация 3 "-конца мРНК β-глобина, также имеющего короткую нетранслируемую последовательность, кодируемую соответствующей областью третьего экзона β-гена (см. рис. 1.16), связана с образованием полиаденилового (поли А) «хвоста» молекулы, состоящего из 100 - 200 последовательно соединенных остатков адениловой кислоты. Для действия фермента, осуществляющего полиаденилирование, не нужна матрица, но требуется присутствие на 3"-конце мРНК сигнальной последовательности ААУААА (см. рис. 1.17). Предполагается, что полиадениловый «хвост» обеспечивает транспорт зрелой мРНК к рибосоме, защищая ее от ферментативного разрушения, но сам постепенно разрушается ферментами цитоплазмы, отщепляющими один за другим концевые нуклеотиды.

Трансляция как очередной этап реализации генетической информации заключается в синтезе полипептида на рибосоме, при котором в качестве матрицы используется молекула мРНК (считывание информации в направлении 5" → 3"). Следует заметить, что в клетках прокариот, не имеющих настоящего ядра с оболочкой, хромосомный генетический материал (ДНК) практически находится в цитоплазме, что определяет непрерывный характер взаимосвязи процессов транскрипции и трансляции. Иными словами, образовавшийся лидирующий 5"-конец молекулы мРНК, синтез которой еще не завершен, уже способен вступать в контакт с рибосомой, инициируя синтез полипептида, т.е. транскрипция и трансляция идут одновременно. Что касается эукариот, то процессы транскрипции их ядерной генетической информации и ее трансляции должны быть разделены во времени в связи с процессингом молекул РНК и необходимостью их последующей упаковки и

Рис. 1.17. Нуклеотидная последовательность зрелой мРНК -глобинового гена человека. Последовательность начинается с 7-метилгуанозина на 5"-конце (кэп-сайт), за которым следует короткий нетранслируемый участок РНК. Первый транслируемый кодон (АУГ) выделен шрифтом и помечен цифрой 0, поскольку кодируемая им аминокислота (метионин) в дальнейшем выщепляется из полипептида (первой аминокислотой зрелого белка будет валин, кодируемый ГУГ). Выделены также стоп-кодон УАА (кодон 147), на котором заканчивается трансляция (полипептид состоит из 146 аминокислот), и сигнальная последовательность для полиаденилирования (ААУААА) на 3"-конце транспортировки из кариоплазмы в цитоплазму с участием специальных транспортных белков.

Как и в случае транскрипции, процесс трансляции можно условно подразделить на три основные стадии - инициацию, элонгацию и терминацию.

Для инициации трансляции принципиально важное значение имеет специфичность структурной организации группы идентичных рибосом (полирибосомы, или полисомы), которая может участвовать в синтезе первичной структуры определенной белковой молекулы (полипептида), кодируемой соответствующей мРНК. Как известно, отдельная рибосома представляет собой клеточную органеллу, состоящую из молекул рРНК, которые определяют ее специфичность, и из белков. В составе рибосомы имеются 2 структурные субъединицы (большая и малая), которые можно дифференцировать на основании их способности по-разному осаждаться при ультрацентрифугировании препаратов очищенных рибосом из разрушенных клеток, т. е. по коэффициенту седиментации (величине 5). При определенных условиях в клетке может происходить разделение (диссоциация) этих двух субъединиц либо их объединение (ассоциация).

Рибосомы прокариот, а также митохондрий и хлоропластов состоят из большой и малой субъединиц с величинами 505 и 305 соответственно, тогда как у эукариот эти субъединицы имеют другие размеры (605 и 405). Поскольку процесс трансляции более детально был исследован у бактерий, то чаще всего его рассматривают в связи со структурой рибосом этих организмов. Как видно из рис. 1.18, рибосома содержит 2 участка, имеющих прямое отношение к инициации трансляции, обозначенные как P-участок (аминоацильный) и Р- участок (пептидильный), специфичность которых определяется сочетанием соответствующих областей субъединиц 505 и 305. При диссоциации субъединиц рибосомы эти участки становятся «недостроенными», что приводит к изменению их функциональной специфичности.

В процессе трансляции участвуют также молекулы тРНК, функции которых состоят в транспортировке аминокислот из цитозоля (цитоплазматического раствора) к рибосомам. Молекула тРНК, имеющая вторичную структуру в форме «клеверного листа», содержит в своем составе тройку нуклеотидов (антикодон), которая обеспечивает ее комплементарное соединение с соответствующим кодоном (триплетом) молекулы мРНК, кодирующей синтез полипептида на рибосоме, и акцепторный участок (на 3"-конце молекулы), к которому присоединяется определенная аминокислота (см. рис. 1.7). Процесс присоединения каждой из 20 аминокислот к акцепторному концу соответствующей тРНК связан с ее активацией определенным вариантом фермента аминоацил-тРНК-

Рис. 1.18. Строение бактериальной рибосомы: Р пептидильный участок, А аминоацильный участок

Рис. 1.19. Начальные этапы трансляции: а инициирующий комплекс; б элонгация

синтетазы с использованием энергии аденозинтрифосфатов (молекул АТФ). Образовавшийся при этом специфический комплекс тРНК и аминокислоты, который получил название аминоацил-тРНК, перемещается затем к рибосоме и участвует в синтезе полипептида.

Инициация трансляции обеспечивается точным соединением лидирующего 5"-конца молекулы мРНК с определенной областью малой субъединицы диссоциированной рибосомы таким образом, что в «недостроенном» Р-участке оказывается стартовый (инициирующий) кодон АУГ этой молекулы (рис. 1.19). Функциональная особенность такого Р-участка состоит в том, что он может быть занят только инициирующей аминоацил-тРНК с антикодоном УАЦ, которая у эукариот несет аминокислоту метионин, а у бактерий - формилметионин. Поскольку синтез пояипептида всегда начинается с N-конца и нарастает в направлении к С-концу, то все белковые молекулы, синтезируемые в клетках прокариот, должны начинаться с N-формилметионина, а у эукариот - с N-метионина. Однако, в дальнейшем эти аминокислоты ферментативно выщепляются во время процессинга белковой молекулы (см. рис. 1.17).

После образования инициирующего комплекса в «недостроенном» Р-участке (см. рис. 1.19) становится возможным воссоединение малой и большой субъединиц рибосомы, что приводит к «достраиванию» Р-участка и A-участка. Лишь после этого следующая аминоацил-тРНК может занимать A-участок на основе принципа

комплементарности ее антикодона соответствующему кодону мРНК, находящемуся в этом участке (см. рис. 1.19).

Процесс элонгации начинается с образования пептидной связи между инициирующей (первой в цепочке) и последующей (второй) аминокислотами. Затем происходит перемещение рибосомы на один триплет мРНК в направлении 5"→ 3", что сопровождается отсоединением инициирующей тРНК от матрицы (мРНК), от инициирующей аминокислоты и выходом ее в цитоплазму. При этом вторая по счету аминоацил-тРНК передвигается из A-участка в Р-участок, а освободившийся А -участок занимается следующей (третьей по счету) аминоацил-тРНК. Процесс последовательного передвижения рибосомы «триплетными шагами» по нити мРНК повторяется, сопровождаясь освобождением тРНК, поступающих в Р-участок, и наращиванием аминокислотной последовательности синтезируемого полипептида.

Терминация трансляции связана с вхождением одного из трех известных стоп-триплетов мРНК в Л-участок рибосомы. Поскольку такой триплет не несет информации о какой-либо аминокислоте, но узнается соответствующими белками терминации, то процесс синтеза полипептида прекращается и он отсоединяется от матрицы (мРНК).

После выхода из функционирующей рибосомы свободный 5"-конец мРНК может вступать в контакт со следующей рибосомой полисомной группы, инициируя синтез еще одного (идентичного) полипептида. Следовательно, рассмотренный рибосомный цикл последовательно повторяется с участием нескольких рибосом одной и той же полисомы, в результате чего синтезируется группа идентичных полипептидов.

Посттрансляционная модификация полипептида представляет собой завершающий этап реализации генетической информации в клетке, приводящий к превращению синтезированного полипептида в функционально активную молекулу белка. При этом первичный полипептид может претерпевать процессинг, состоящий в ферментативном удалении инициирующих аминокислот, отщеплении других (ненужных) аминокислотных остатков и в химической модификации отдельных аминокислот. Затем происходит процесс сворачивания линейной структуры полипептида за счет образования дополнительных связей между отдельными аминокислотами и формирование вторичной структуры белковой молекулы (рис. 1.20). На этой основе формируется еще более сложная третичная структура молекулы.

В случае белковых молекул, состоящих более чем из одного полипептида, происходит образование комплексной четвертичной структуры, в которой объединяются третичные структуры отдельных полипептидов. В качестве примера можно рассмотреть модель молекулы гемоглобина человека (рис. 1.21), состоящей из

Рис. 1.20. Вторичная структура молекулы фермента рибонуклеазы

Рис. 1.21. Четвертичная структура молекулы гемоглобина человека

двух α-цепочек и двух β-цепочек, которые формируют стабильную тетрамерную структуру с помощью водородных связей. Каждая из глобиновых цепочек содержит также молекулу тема, который в комплексе с железом способен связывать молекулы кислорода, обеспечивая их транспортировку эритроцитами крови.

Базисные термины и понятия: акцепторный конец тРНК; аминоацил-тРНК; антикодон; гяРНК (про-РНК); инициация транскрипции и трансляции; инициирующая аминоацил-тРНК и аминокислота; инициирующий кодон мРНК; комплементарность; кэп; лидирующий 5"-конец мРНК; матричность; модификация концов молекулы мРНК; моногенная молекула мРНК; мРНК (иРНК); мяРНК; обратная транскриптаза (ревертаза); обратная транскрипция; общий перенос; перенос (передача) информации; полигенная молекула мРНК; полипептид; полирибосома (полисома); посттрансляционная модификация полипептида; промотор; процессинг РНК и полипептида; рибосома; РНК-полимераза; рРНК; специализированный перенос; сплайсинг; стартовая точка транскрипции; терминатор; терминация транскрипции и трансляции; транскрипт; транскрипция генетической информации; трансляция генетической информации; тРНК; элонгация транскрипции и трансляции; A-участок рибосомы; Р-участок рибосомы.

Биология. Общая биология. 10 класс. Базовый уровень Сивоглазов Владислав Иванович

13. Реализация наследственной информации в клетке

Вспомните!

Какова структура белков и нуклеиновых кислот?

Какие типы РНК вам известны?

Где образуются субъединицы рибосом?

Какую функцию рибосомы выполняют в клетке?

Обязательным условием существования всех живых организмов является способность синтезировать белковые молекулы. Классическое определение Ф. Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел…» не потеряло своего значения в свете современных научных открытий. Белки в организме выполняют тысячи разнообразных функций, делая нас такими, какие мы есть. Мы отличаемся друг от друга ростом и цветом кожи, формой носа и цветом глаз, у каждого из нас свой темперамент и свои привычки; мы все индивидуальны и в то же время очень похожи. Наше сходство и наши различия – это сходство и различия нашего белкового состава. Каждый вид живых организмов обладает своим специфическим набором белков, который и определяет уникальность этого вида. Но при этом белки, выполняющие сходные функции в разных организмах, могут быть очень похожи, а порой практически одинаковы, кому бы они ни принадлежали. Причём меньше всего различий в белках, обеспечивающих жизненно важные физиологические функции.

В митохондриях работает фермент – цитохром С, который играет важнейшую роль в обеспечении клеток энергией. В процессе эволюции появление цитохромов позволило сформировать эффективную систему энергообеспечения клетки и в итоге привело к возникновению эукариотических организмов. Поэтому не случайно строение цитохрома С одинаково во всех эукариотических клетках – у всех животных, растений и грибов.

Итак, все свойства любого организма определяются его белковым составом. Причём структура каждого белка, в свою очередь, определяется последовательностью аминокислотных остатков.

Следовательно, в итоге наследственная информация, которая передаётся из поколения в поколение, должна содержать сведения о первичной структуре белков. Информация о строении всех белков организма заключена в молекулах ДНК и называется генетической информацией .

Генетический код. Каким же образом последовательность мономеров – нуклеотидов в цепи ДНК может определять последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка? Четырьмя типами нуклеотидов должны быть закодированы 20 типов аминокислот, из которых состоят все белковые молекулы. Если бы одной аминокислоте соответствовал один нуклеотид, то четыре типа нуклеотидов могли бы определять только четыре типа аминокислот. Это явно не подходит. Если предположить, что каждый тип аминокислот определяется двумя нуклеотидами, то, имея исходно четыре типа оснований, можно закодировать 16 разных аминокислот (4?4). Этого тоже ещё недостаточно. Наконец, если каждой аминокислоте будут соответствовать три стоящие подряд нуклеотида, т. е. триплет, то таких сочетаний может быть 64 (4?4?4), и этого более чем достаточно, чтобы зашифровать 20 типов аминокислот.

Набор сочетаний из трёх нуклеотидов, кодирующих 20 типов аминокислот, входящих в состав белков, называют генетическим кодом (рис. 42). В настоящее время код ДНК полностью расшифрован, и мы можем говорить об определённых свойствах, характерных для этой уникальной биологической системы, обеспечивающей перевод информации с «языка» ДНК на «язык» белка.

Первое свойство кода – триплетность . Три стоящих подряд нуклеотида – «имя» одной аминокислоты. Один триплет не может кодировать две разные аминокислоты – код однозначен . Но при этом каждая аминокислота может определяться более чем одним триплетом, т. е. генетический код избыточен . Любой нуклеотид может входить в состав только одного триплета, следовательно, код является неперекрывающимся . Некоторые триплеты являются своеобразными «дорожными знаками», которые определяют начало и конец отдельных генов (УАА, УАГ, УГА – стоп-кодоны, не кодируют аминокислоты, АУГ – старт-кодон, кодирует аминокислоту метионин). У животных и растений, у грибов, бактерий и вирусов один и тот же триплет кодирует один и тот же тип аминокислоты, т. е. генетический код одинаков для всех живых существ. Универсальность кода ДНК подтверждает единство происхождения всего живого на нашей планете.

Рис. 42. Генетический код

Итак, последовательность триплетов в цепи ДНК определяет последовательность аминокислот в белковой молекуле. Ген – это участок молекулы ДНК, кодирующий первичную структуру одной полипептидной цепи .

Транскрипция (от лат. transcription – переписывание). Информация о структуре белков хранится в виде ДНК в ядре клетки, а синтез белков происходит на рибосомах в цитоплазме. В качестве посредника, передающего информацию о строении определённой белковой молекулы к месту её синтеза, выступает информационная РНК.

Представьте себе библиотеку с уникальным фондом, книги из которой на дом не выдают. Для вашей работы и решения некой важной задачи необходимо получить информацию, записанную в какой-то из этих книг. Вы приходите в библиотеку, и для вас делают ксерокопию нужной главы из определённого тома. Не имея возможности забрать книгу, вы получаете копию её фрагмента и, уходя из библиотеки, уносите эту копию с собой, чтобы на основе записанных в ней сведений выполнить необходимую работу: сконструировать прибор, синтезировать какое-либо вещество, испечь пирог или сшить платье, т. е. получить результат.

Такой библиотекой является клеточное ядро, в котором хранятся уникальные тома – молекулы ДНК, ксерокопия – это иРНК, а результат – синтезированная белковая молекула.

Информационная РНК является копией одного гена. Двухцепочечная молекула ДНК раскручивается на определённом участке, водородные связи между нуклеотидами, стоящими друг напротив друга, разрываются, и на одной из цепей ДНК по принципу комплементарности синтезируется иРНК. Напротив тимина молекулы ДНК встаёт аденин молекулы РНК, напротив гуанина – цитозин, цитозина – гуанин, а напротив аденина – урацил (вспомните отличительные особенности строения РНК, § 9). В итоге формируется цепочка РНК, которая является комплементарной копией определённого фрагмента ДНК и содержит информацию о строении определённого белка. Процесс синтеза РНК на ДНК называют транскрипцией (рис. 43).

Трансляция (от лат. translation – передача). Молекулы иРНК выходят через ядерные поры в цитоплазму, где начинается второй этап реализации наследственной информации – перевод информации с «языка» РНК на «язык» белка. Процесс синтеза белка называют трансляцией (см. рис. 43). Для осуществления этого процесса информации о структуре полипептидной цепи, записанной с помощью генетического кода в молекулах иРНК, явно недостаточно. Мы не получим вещественного результата, имея на руках только «листки ксерокопии». Необходимы аминокислоты, из которых, согласно имеющемуся плану, будут собираться молекулы белка. Нужны структуры, в которых непосредственно будет происходить синтез, – рибосомы. Не обойтись также без ферментов, осуществляющих эту сборку, и молекул АТФ, которые обеспечат этот процесс энергией. Только при выполнении всех этих условий белок будет синтезирован.

Молекула иРНК соединяется с рибосомой тем концом, с которого должен начаться синтез белка. Аминокислоты, необходимые для сборки белка, доставляются к рибосоме специальными транспортными РНК (тРНК). Каждая тРНК может переносить только «свою» аминокислоту, имя которой определяется триплетом нуклеотидов – антикодоном, расположенным в центральной петле молекулы тРНК (рис. 44). Если антикодон какой-либо тРНК окажется комплементарным триплету иРНК, находящемуся в данный момент в контакте с рибосомой, произойдёт узнавание и временное связывание тРНК и иРНК (рис. 45). Одновременно на рибосоме находится две тРНК с соответствующими аминокислотами. Расположенная на рисунке слева аминокислота серин (сер) отделяется от своей тРНК и образует пептидную связь с аминокислотой аспарагин (асп).

Рис. 43. Взаимосвязь между процессами транскрипции и трансляции

Рис. 44. Строение тРНК

Рис. 45. Трансляция

Освобождённая тРНК (АГА) уходит в цитоплазму, а рибосома делает «шаг», сдвигаясь на один триплет по цепи иРНК. К этому новому триплету (ЦГУ) подойдёт другая тРНК и принесёт аминокислоту аргинин (арг), которая присоединится к растущему белку. Так, шаг за шагом, рибосома пройдёт по всей иРНК, обеспечивая считывание закодированной в ней информации. Таким образом, включение аминокислот в растущую белковую цепь происходит строго последовательно в соответствии с последовательностью расположения триплетов в цепи иРНК.

Процессы удвоения ДНК (§ 9), синтеза РНК и белков в неживой природе не встречаются. Они относятся к так называемым реакциям матричного синтеза . Матрицами, т. е. теми молекулами, которые служат основой для получения множества копий, являются ДНК и РНК. Матричный тип реакций лежит в основе способности живых организмов воспроизводить себе подобных.

Образование в клетках других органических молекул, таких как жиры, углеводы, витамины и т. д., связано с действием белков-катализаторов (ферментов). Например, ферменты, обеспечивающие синтез жиров у человека, «делают» человеческие липиды, а аналогичные катализаторы у подсолнечника – подсолнечное масло. Ферменты углеводного обмена у животных образуют резервное вещество гликоген, а у растений при избытке глюкозы синтезируется крахмал.

Вопросы для повторения и задания

1. Вспомните полное определение понятия «жизнь».

2. Назовите основные свойства генетического кода и поясните их значение.

3. Какие процессы лежат в основе передачи наследственной информации из поколения в поколение и из ядра в цитоплазму, к месту синтеза белка?

4. Где синтезируются все виды рибонуклеиновых кислот?

5. Расскажите, где происходит синтез белка и как он осуществляется.

6 . Рассмотрите рис. 40. Определите, в каком направлении – справа налево или слева направо – движется относительно иРНК изображённая на рисунке рибосома. Докажите свою точку зрения.

Подумайте! Выполните!

1. Почему углеводы не могут выполнять функцию хранения информации?

2. Каким образом реализуется наследственная информация о структуре и функциях небелковых молекул, синтезируемых в клетке?

3. При каком структурном состоянии молекулы ДНК могут быть источниками генетической информации?

4. Какие особенности строения молекул РНК обеспечивают их функцию переноса информации о структуре белка от хромосом к месту его синтеза?

5. Объясните, почему молекула ДНК не могла быть построена из нуклеотидов трёх типов.

6. Приведите примеры технологических процессов, в основе которых лежит матричный синтез.

7. Представьте, что в ходе некоего эксперимента для синтеза белка были взяты тРНК из клеток крокодила, аминокислоты мартышки, АТФ дрозда, иРНК белого медведя, необходимые ферменты квакши и рибосомы щуки. Чей белок был в итоге синтезирован? Объясните свою точку зрения.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.